摘要：

计算机的发明为人类探索世界提供了有利的支持.随着科学技术的发展,人们对计算机处理信息能力的要求愈来愈高,但是传统的计算机体系结构由于其自身内在的限制显得力不从心.人类在不断提出各种新型体系结构的计算机,以实现更高,更快,更强的追求目标.量子计算机由于利用量子力学系统的本质特性而具有极高的计算性能,是未来计算机发展的一个方向. 量子计算的研究主要集中在三个方面:量子计算基础理论研究,量子计算应用研究和量子计算机实现技术研究.做为一种新型信息处理方法,其研究在近几年取得了引人注目的进展.量子算法的研究在1994年后取得了长足的进步,显示量子计算在未来信息处理中的强大能力.量子计算机的实现技术也在不断发展.已经提出了多种量子计算机的物理实现技术,如核磁共振,离子阱等.目前在实验室中已经研制出了7位量子计算机原型系统,量子计算机的可行性问题已经解决.研究量子计算机体系结构,探索如何利用现有的技术来构造高性价比的量子计算机系统具有重要意义.但目前这方面的研究还比较少.对于我们来说是一种挑战也是一个机遇. 针对这种情况,通过对量子计算技术的深入研究,全面剖析现有量子计算系统,借鉴经典计算机中的研究成果,作者提出了协同量子计算机体系结构方案,在该方案中,使用经典计算机完成量子程序中的常规数据处理和程序逻辑控制,而将量子计算部件做为协处理器,只负责完成量子计算.与纯量子计算机结构相比,该方案具有性能相当,实现简单的优点.该方案中使用了量子指令动态调度技术,有效提高了量子计算处理器的执行效率.借鉴量子纠错编码的研究成果,提出了自纠错的可靠量子存储系统方案,为协同量子计算机提供了可靠的存储系统. 由于量子指令的动态调度能在出现数据相关时尽量减少量子协处理器空转,但是不能消除数据相关.在量子网络计算模型的基础上,深入分析了量子网络中存在的并行性,提出了并行量子计算模型,研究了开发量子网络并行性的方法,提出了量子网络并行化重构算法.该技术可以提高量子网络的并行性,可以用于量子计算程序的编译优化. 结合量子计算需求,作者设计了一种面向对象量子计算编程语言QJava,它对标准Java编程语言进行了量子计算扩充,具有面向对象特点和较强的量子计算描述和计算能力.利用该语言开发和实现量子计算算法的编程方便简洁. 作者总结分析了现有的量子计算软件模拟系统,确定了软件模拟量子计算系统的需求以及设计中要解决的若干关键问题.结合量子计算机体系结构的研究,设计实现了一个量子计算软件模拟系统QCDK.该系统是一个集成开发环境,便于用户设计,调试和运行量子程序,同时也能支持对量子计算机体系结构的研究和模拟.该系统具有较好的可扩充性和可移植性. 为了提高在经典计算机上进行量子计算模拟的性能,研究了使用向量处理部件提高模拟性能的技术.由于量子计算过程可以使用向量计算模拟,因此适合具有向量处理的微处理器.研究结果表明向量处理技术对提高量子算法软件模拟系统的性能具有重要意义. 国防科学技术大学研究生院学位论文 作者针对Grover量子搜索算法存在的不足进行了改进和完善,使其在任何条件下都能 够有效地进行搜索.提出了搜索列表极小值的量子算法,它具有.时愁的时间复杂度,N 为列表个数.在经典二分法的基础上,提出了二分法量子搜索算法,它的时间复杂度为 O((lo咖"勺.这些算法对于在量子计算机上求解NP问题具有重要意义.

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